TWI241020B - Method of manufacturing TiO2 sensing film, ISFET having TiO2 sensing film, and methods and apparatus for measuring the temperature parameter, drift, and hysteresis thereof - Google Patents

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1241020 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關一種二氧化鈦感測膜之製法，且特別有關於一種 具有二氧化鈦感測膜之離子感測場效電晶體，以及其溫度參數、時 漂值、及遲滯量之量測方法與裝置。 【先前技術】 離子感測場效電晶體（I〇n Sensitive Field Effect Transistor，ISFET)係 Piet Bervgeld 於 1970 年提出。具有參考 電極之ISFET與金屬-氧化物-半導體場效應電晶體 (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET) 類似’但是ISFET具有裸露之閘極絕緣體（gate insolator)供測 量溶液中的離子濃度。例如，當pH-ISFET浸泡於水溶液中時， pH - ISFET感測膜之表面上被誘發表面電位。然而，閘極介電層厚 度極薄，感測膜之表面電位會影響半導體的反轉層内載子電荷密 度，使件流過ISFET之通道電流受到調節。再者，其表面電位與 溶液中氫離子活度有關，當pH值改變時，感測膜被誘發之表面電 位即不同，導致不同之通道電流。因此，可利用pH_ISFE；T檢測溶 液之pH值。 以下所列為曾經揭露有關ISFET之形成或測量方法的專利： (一）美國專利弟5，350，701號’發明者：Nicole Jaffrezic-Renault, Chovelon Jean-Marc, Hubert Perrot, Pierre Le Perchec，Yves Chevalier，執行日期：9/27/1995。 此專利提出利用化學合成磷化基感測膜於酸鹼離子感測場效電晶 體元件之閘極區域上，可進行鹼土族金屬含量之檢測，特別係針 對飼離子含量之感測。 (—)美國專利第5, 387, 328號，發明者·· Byung Ki Sohn,

Daegu ’執行曰期：2/7/1995。此專利提出利用酵素固定於感測膜 l24l〇2〇 △壤行葡萄糖濃度之感測，且利用鈿作為參考電極。使用鉑作為 二考電極可檢測出所有能與酵素反應生成汛〇2之有機物質，用以擁 ’感剛度和快速之反應時間。 (—)美國專利弟5，414，284號’發明者·· R〇nald D. Baxter， mes G. Connery, John D. Fogel, Spencer V. Silverthorne ^ 執行曰期：5/9/1995。此專利提出將離子感測場效電晶體元件與 靜氣玫電（ESD)保護電路同時製作於同一石夕基板上，並使用一個電 容結構作為保護電路與水溶液樣本間之介面，以隔絕直流漏電流。 (四） 美國專利弟5，309，085號’發明者：Byung Ki Soh，執 行曰期· 5/3/1994。此專利提出將具有離子感測場效電晶體結構 生物感測器之量測電路整合於一晶片上。其中量測電路包括二個 離子感測場效電晶體元件，由酵素感測場效電晶體及參考電極場 效電晶體構成，另外再使用差動放大器將酵素感測場效電晶體及 參考電極場效電晶體之輸出信號放大。 (五） 美國專利第5,061，976 號，發明者：？31^31^31^111〇1111^&，

ShuichiroYamaguchi，Takanao Suzuki，NoboruOyama，執行日 期：10/29/1991。此專利提出於離子感測場效電晶體閘極絕層上 覆蓋一層碳薄膜，再覆蓋上2，6-二甲酚（2,6-xylen〇l)電解聚合 物（electrolytic p〇lymerizati〇n)薄膜。此離子感測場效電晶體 具有氫離子感測之功能，且時漂小、穩定性高、對光較不敏感。 若於上面覆盍其它薄膜，則可感測其它種類之離子。 (六） 美國專利第5,833,824號，發明者：Barry w. BeMon， 執行日期：、11/1〇/1998。此專利提出一背部基座防護離子感測場 效電晶體感測II ;感測水溶液中離子活性之離子感測場效電晶體 包含基座和-個離子感測場效電晶體日日日片，基座之前表面暴露於 水絲中，後表面位於前表面之下方，相對於前表面，孔徑延伸 於前表面和後表面之間，離子感測場效電晶體之感測膜鑲散於後 6 1241020 表面，以致於感測膜可經由孔徑暴露於水溶液中。 (七）美國專利第4, 691，167號，發明者：Hendrik Η· V. D. Vlekkert，Nicolaas F_ De Rooy，執行日期：9/1/1987。此專利 提出將離子感測場效電晶體、參考電極、溫度感測器、放大電路、 計算及記憶電路組合，用以決定液體中之離子活度。感測度係溫 度及汲極電流之函數，且係由閘極電壓變量所決定，故可由儲存 於記憶體内之公式計算而得到。 (八）美國專利苐 5, 130, 265 號，發明者：Massimo Batti lotti，

Giuseppina Mazzamurro, Matteo Giongo，執行日期：7/14/1992。 此專利提出研製多功能離子感測場效電晶體之方法。包括使用矽 氧烷前聚合物（siloxanic prep〇iymer)作為感測薄膜、溶液之調 配、光化學處理、熱處理等步驟。 乂（九）美國專利第4,660,063號，發明者：几〇111狀1?八11让〇即， 執行日期：4/21/1987。此專利提出使用雷射鑽洞及固態擴散二個 ^驟，於半導體晶圓上形成三維之二極體陣列。首先使用雷射於 晶圓上鑽洞，再將雜質經由洞壁擴散進去，形成圓柱形之PN接面， 以完成一個非平面式之離子感測場效電晶體結構。 ， 4? 812, 220 ^ ? ： Takeaki Uda Tak^hi Kawabe，執行日期：5/14/1989。此專利提出酵 成场效型離子感測元件，以測量食物中氨基酸之含量去^ 器能;=二：氨基r含量低時亦能準確地量，： 有。午夕材枓皆被應用於製作ISFETi感測膜， 斤 (A=、氮化條 (a SiH)、非晶形碳氫（a—C:H)等，這些材料 工 之應用上，兩亜;7 L 乂 +叩貝。於實際 合商品化本絲作容R❹摘㈣1更能符 1241020 由於ISFET亦係一種半導體元件，故溫度變化將造成ISFET 之漂移，因而導致量測結果之誤差，故元件本身需使用於某個恆 溫下，才能確保量測結果之正確性。 遲滯效應主要係受ISFET元件之慢響應所影響，使用ISFET 量測pH時，經pHx-> pHy— ρΗχ-> pHz-> ρΗχ之pH迴路之後，每一 次ρΗχ所量測之輸出電壓會不同，而第一次與最後一次ρΗχ輸出電 壓之差值即為遲滯量。 時漂現象於整個量測過程中皆存在。於固定溫度及無其它干 擾之下，當本質響應（intrinsic response)即快響應（fast response)與慢響應（slow response)結束後，其輸出仍然隨著時 間緩慢且單調（monotonic)之變化，此時輸出電壓隨著時間所變化 之量即為時漂量。 故對於特定之ISFET(例如具有二氧化鈦薄膜做為感測膜）而 言，亦需有更適合之溫度參數、時漂量、遲滯量之量測方法與裝 置。 【發明内容】 有鑑於此，本發明之一目的係提供一種低成本且製作簡易之 方法備製二氧化鈦（Ti〇2)薄膜以應用於氫離子感測薄膜。於本發明 中，以真空濺鍍法所備製之薄膜具有下列之優點：低溫流程、可 濺鍍絕緣材料、可於較低之濺鍍壓力下濺鍍、及可大面積成長薄 膜且均勻。 本發明之又一目的，係利用電流一電壓曲線得到離子感測場 效電晶體於不同操作溫度下之感測度，進而得到具有二氧化鈦感 測膜之離子感測場效電晶體的溫度參數，即感測度之溫度係數。 可藉由量測得到溫度參數之值，進而反推出溶液中之離子濃度或 pH值。 本發明之另一目的，係提供具有二氧化鈦感測膜之離子感測 1241020 二兒日日體之時漂與遲滯量的量測方法與裝置，可量測出酸驗離 ^鐵测場效電晶體之時漂量與遲滯量，進而利用反 以獲得元件的準確輸綠。 ^ _為I達到本發明之一目的，提供一種製備離子感測場效電晶 體之二氧化鈇感測膜的方法，包括下列步驟：在流量_1〇至100 SCCM·(立方公分/分鐘，standardcubiccentimete^perminute) 1至5 · 1比例之氬氣與氧氣的混合氣體存在下；在壓 =5至0.045托耳（加）下，以射頻功率145錢〇瓦特⑺， 晶體鑛，以形成—二氧化鈦層於該離子感測場效電 ^ ΐ M45G至55m溫度及氧氣存在下對 d一虱化鈦層予以退火處理。 測場效電~型悲係提供—種具有二氧化鈦❹描之離子感 二二_元件:一半導體基底…閘極氧化層， mv體基底上；一上述之方 片 該閘極氧化層上，形成二氧化鈦閘極；^膜’餅 二氧化鈦閘極二側之該半導體基底巾；二導線°σ°'’位於3亥 極/没極區上；以及—密封層 ㈣”別位於讀源 鈦薄膜。 现^孟屬ν線，並露出該二氧化 之發:月之又一目的’提供一種具有二氧化鈦感測膜 之ISFET之溫度麥數的量測方法，包括 氧化鈦感測膜之咖丁之二^卜社汗、心a使上述具有一 --w j-__n ，感/对膜與一緩衝溶液接觸及達 層旦；二定溫度下，改變上述緩衝溶液之PH值，並以- IS:T= 並記錄上述具有二氧化鈦感測膜之 SFET的源Λ及極電流對間極電叙曲線；利用 間極電慶之曲線，取一固定電产 原人及極電抓對 开杜w · 出於上述固定溫度下·Τ 件感測度，以及改變上述緩衝溶液之 以求出於各溫度下之感測度。 直複上述4步驟 1241020 本發明之又一型態係提供一種具有二氧化鈦感測膜之ISFET 之溫度參數的量測裝置，包括：一如上述之具有二氧化鈦感測膜 的離子感測場效電晶體；一緩衝溶液，用以與上述具有二氧化鈦 感測膜之離子感測場效電晶體的二氧化鈦感測膜接觸；一光隔絕 容器，用以隔絕光線；一加熱器，用以對上述緩衝溶液進行加熱； 一溫度控制器，連接於上述加熱器；一測試裝置（test fixture)， 連接於上述離子感測場效電晶體之源極與汲極；以及一電流一電 壓量測裝置，連接於上述測試裝置。 為了達到本發明之另一目的，提供了一種具有二氧化鈦感測 膜之ISFET之遲滯量的量測方法，包括下列步驟：利用一丨互壓恆 流讀出電路固定上述具有二氧化鈦感測膜之ISFET之汲/源電流與 汲/源電壓；使得上述二氧化鈦感測膜與一缓衝溶液接觸；以一電 壓一時間記錄器記錄上述具有二氧化鈦感測膜之ISFET的閘/源極 輸出電壓；於預定之pH迴路中，將二氧化鈦感測膜之ISFET置於 每個pH值一段時間後量測，以量出上述具有二氧化鈦感測膜之 ISFET的遲滯量。 為了達到本發明之另一目的，提供一種具有二氧化鈦感測膜 之ISFET的時漂量量測方法，包括下列步驟··使上述具有二氧化 鈦感測膜之ISFET的二氧化鈦感測膜與一緩衝溶液接觸；以恆壓 恆流讀出電路測量上述具有二氧化鈦感測膜之ISFET的閘/源極輸 出電壓，並以一電壓一時間記錄器記錄；置於緩衝液一段時間， 再以上述電壓一時間記錄器記錄上述具有二氧化鈦感測膜之 ISFET的閘/源極輸出電壓；計算單位時間内閘/源極輸出壓之改變 量，藉以獲得上述具有二氧化鈦感測膜之ISFET的時漂量。 本發明之又一型態係提供一種具有二氧化鈦感測膜之ISFET 之遲滯與時漂量的量測裝置，包括：一如上述之具有二氧化鈦感 測膜之離子感測場效電晶體；一缓衝溶液，用以與上述具有二氧 10 1241020 化鈦感測膜之離子感測場效電晶體之二氧化鈦❹_接觸；—光 隔絕容器，用以隔絕光線並承載所需之設備；_加熱器，用以對 上述緩衝溶液進行加熱；一溫度控制器，連接於上^二埶哭·一 怪壓恒流讀出電路，連接於上述ISFET之上述源極與汲極；一電 電壓量測裝置，連接於上述恆壓恆流讀出電路；以及一電廢— 0守間δ己錄益，連接於上述恆壓恆流讀出電路。 【實施方式】 為使得本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易 ^ ’下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下·· 、、本發明之製備離子感測場效電晶體之二氧化鈦感測膜的方 法’於密閉反應㈣使料當之氣體、壓力、及射頻功率條件， ^二氧化絲料以麟處理—段日相，而於離子感測場效電晶 二之，極區域上形成二氧化鈦層。所使用之氣體為氬氣與氧氣的 2合氣體，混合比例可為2 ··丨至5 ··丨，較佳為3 :丨至4 :卜流 =可為10至100 SCCM，較佳為60至10〇 SCCM。所使用之壓力可 ;015至〇· 045托耳，較佳為〇· 02至〇_ 〇3托耳。所使用之射 =功衬為145至16G瓦特，較佳為15Q至155瓦特（w)之射頻功 〜研製之二氧化鈦層須在450至551TC之退火溫度及氧氣之存在 進仃退火處理—段時間。如此研製之二氧化鈦層可做為良好之 離子感測膜之用。 。、本發明之二氧化鈦感測膜，因其利用濺鍍之優點：低溫流程、 3鍍絕緣材料、可於較低之濺鍍壓力下麟、及可大面積成長 上、句勻而可形成於任何離子感測場效電晶體之閘極氧化層 感、、則'膜可將厚度】控制為2⑽至3⑽人，較佳為至260A，以做為 參閱二，而研製具有二氧化鈦感測膜之離子感測場效電晶體。請 =1圖，其顯示本發明中所使用具有二氧化鈦感測膜之離子 ^場效電晶體（在下文中簡稱「二氧化鈦ISFET」）結構圖，其中 11 1241020 本發明之離子感測場效電晶體的結構包括下列··半導體基底18， 例如η型或p型之矽基底；閘極氧化層ι6，例如二氧化矽；源極/ 汲極區17 ;導線15，例如金屬導線，如··鋁；及在閘極氧化層上 之二氧化鈦感測膜14 ;並以密封層13 (例如環氧樹脂）密封，僅 露出二氧化鈦薄膜，以做為檢測溶液離子濃度之用。 接下來，請參考第2圖，架構本發明之感測度量測系統，以測 量本發明具有二氧化鈦感測膜之ISFET的溫度參數。將二氧化鈦 ISFET 204浸入緩衝溶液210，置放於暗箱211中以隔絕光線，並 可於緩衝溶液中置入溫度計203與PID溫控器205相連，控制加熱 器212以固定緩衝溶液210之溫度，再將二氧化鈦ISFETi汲極、 源極及參考電極209分別藉著導線206、207、及208接至測試裝置 (test fixture) 202，再連接至Keithley 236電流一電壓量測單 元 2(H。 溫度參數之量測步驟如下：使二氧化鈦感測膜與缓衝溶液接 觸一段時間，例如1.5分鐘，藉以達溫度平衡。於一固定溫度下， 改變上述緩衝溶液之pH值，範圍可為}至13，並以一電流/電壓 量測裝置測量，並記錄上述具有二氧化鈦感測膜之ISFET的源/汲 極電流對閘極電壓的曲線。利用上述源/汲極電流對閘極電壓之曲 線，取一固定電流以求出於上述固定溫度下ISFETs件的感測度。 感測度係於固定溫度下，每增加單位pH值所造成之閘極電壓增 量。改變上述緩衝溶液之溫度，範圍可在5至55它之間，重複上 述諸步驟，以求出於各溫度下之感測度，藉由不同溫度對感測度 之作圖，可得到溫度係數（raV/pirc)，即為曲線之斜率值。其中"， 溫度之控制可藉由一溫度控制器控制一加熱器以完成。 接著，說明本發明量測時漂及遲滯之裝置架構圖，請參考第3 圖。為防止外在環境干擾，量測過程係於暗箱3〇8之隔絕光線中進 行，且將一氣化鈦ISFET 301及參考電極304浸於怪溫之缓衝溶液 12 1241020 302中。溫度係以溫度控制器306，例如PID溫控器，連接一加熱 器305所控制。可將溫度控制在25°C。可於緩衝溶液中置入溫度計 或熱電耦307與溫度控制器相連。再將具有二氧化鈦感測膜之離子 感測場效電晶體301之汲極、源極及閘極（參考電極304)藉著導線 311、312、及313連接至恆壓恆流讀出電路303。恆壓恆流讀出電 路303可為一負回授電路。最後再將恆壓恆流讀出電路303之輸出 電壓（VG)接至電壓一時間記錄器310與一電流/電壓量測裝置309， 例如數位式三用電表。 恆壓恆流讀出電路如第4圖所示，係以負回授模式於汲極與源 極間保持固定之電壓及固定的電流，使元件響應反應於閘極電壓 上’其負回授為Ids个―Vs丨—Vg!-^IdsI。 測量具有二氧化鈦感測膜之ISFET時漂量的步驟如下：使 ISFET之二氧化鈦感測膜與一緩衝溶液接觸一段時間，例如12小 時，以達穩定。使用恆壓恆流讀出電路測量ISFET之閘/源極輸出 電壓，並以一電壓一時間記錄器記錄。隔一段時間後，例如5小 時，再以上述電壓一時間記錄器記錄閘/源極輸出電壓；計算單位 時間内閘/源極輸出電壓之改變量，即獲得上述具有二氧化鈦感測 膜之ISFET的時漂量。 可改變該緩衝溶液之pH值，範圍可為1至13之間，以求出 具有二氧化鈦感測膜之ISFET在各pH值下的時漂量。可將汲/源 電流固定在10至300 /2 A，較佳為20至80//A。可將汲/源電壓固 定在0. 1至0. 2V。 測量具有二氧化鈦感測膜之ISFET遲滯量的步驟如下：首先， 利用恆壓恆流讀出電路固定ISFET之汲/源電流與汲/源電壓。其 中，可將沒/源電流固定在10至300 // A，較佳為20至80 // A。可 將汲/源電壓固定在0. 1至0. 4V，較佳為0. 1至0. 2V。接著，使 二氧化鈦感測膜與緩衝溶液接觸一段時間。或可事先置於一基準 13 l24l〇2〇 以保持穩定。以電壓—時間記錄11記錄1SFET之閘/源極輪 岀=壓。於同一 pH值下，最初與最末量測點之閘/源極輸出電壓則 的’交化量即為遲滯量。因此，改變緩衝溶液之pH值，重複上述諸 步驟，可量出ISFET之遲滯量。緩衝溶液之pH值改變順序可2例 如、HnpH7—pH11—pH7。又不同之pH迴路亦會產生不同之 遲π里，此順序為最標準常見（含酸與鹼溶液）。其中，更可使緩 衝溶液於各ρΗ值下持續固定例如1、2、4、或8分鐘。 ' 下列貫施例係以依照本發明所備製之二氧化鈦丨s F E τ元件及 ^ =測過程為例，詳細說明如何實施本發明。在後述之感測膜傷 製條件、量測條件、實驗參數值乃至於量測裝置均僅用以舉例說 明’並非用以限定本發明。 【實施例] 貫施例1本發明之二氧化鈦感測膜的製備 將真空濺鍍機反應腔式之壓力抽至1〇-6托耳以下，通入氬氣/ 虱氣（80/20)之混合氣體，流量控制於1〇〇 SCCM，並將壓力控制I 3托耳，打開射頻功率電源之開關，將射頻功率調整於15〇w， 進行二小時備製。然後，置於退火爐中一小時，退火溫度5〇〇<t並 置即於ISFET表面獲得所需之二氧化鈦薄膜，革巴材為鈦乾， 直徑2英寸，厚度6_，純度為99· 99%。膜後為256人。 所使用之離子感測場效電晶體係製作於晶向（1〇〇)、電阻係數8 至12Ω ·〇η之p型半導體基底上。源極與汲極間之通道長度⑽微 /认）通道I度1 0⑽微米（# Π1),閘極氧化層厚度1 0QQA。 實施例2時漂值及遲滯量之量測 使用如第3圖之裝置測量實施例丨所得具有二氧化鈦感測膜之 ISFET。使用如苐4圖所示之恆歷恆流讀出電路。其中，運算放大 二（0Ρ)^ι接成電壓隨偶器之形式，而運算放大器A2以負回授之 形式调整參考電極的電塵，以維持源沒間之怪塵怪流。卩们調整 14 1241020 爾壓，以調整沒源電流，並利用 ，及源電流。閘極電壓^即為具有—^ σ數位電表量測汲源電壓與 晶體之輪出電壓。 氧化鈦感測膜之離子感測場效電 日以示值之量測如下·· 首先，以忮壓恆流讀出電路 固定為0.2伏特；源極電流 ^匕銳ISFET之没-源極電壓 Τ置放於ρΗ }緩衝溶液中^ 5〇士微安培。接著，將二氧化鈦 路量測系統測量元件輸出電壓^，。然後，以恆壓恆流讀出電 元件置放於pH 2至pH 13之緩::以電壓—時間記錄器記錄。將 出電壓Vc。每個PH值量測4時^^中’重覆上述步驟以測量輸 遲滯量之量測如下： τ後所件之斜率即為時漂值。 首先進行二氧化鈦ISFET於遲、番、 以此PH迴路量测係為了得到PH 7-3-7们之量測’

值間隔為1，每個pH值所 3之完整遲滞量。每個pH 17分鐘。此外亦進行2分鐘、4分$鐘量測，迴路時間為 為二鐘、心鐘與136分鐘心 b卜，本發明亦量測二氧化 之遲滯量，每個讪值 耵於？11迴路邱5小5〜9 第5圖愈第6 Ht置田時間為1分鐘量測。 二⑽感測射她pH值之綠^^之==作之 述直:則條件對依據本發明實施例備製的二氧二^ 度1、時，值與遲滞量量測之結果圖。 仃〜溫 量測ί驟彳!^本發明之二氧化鈦1sfet湘本發明的 線。由圖中可知=二？值的_流-問極電^ ^ 「甲]徑包壓會隨pH值而增加。 叫 。月麥考弟6圖’顯示二氧化鈦丽操作於饥時，各 15 1241020 壓與pH值關係圖。由圖中可知斜率即其感測度約為56.21亳伏 /pH。由此可證明本發明所提出之二氧化鈦感測膜備製方法可適用 於pH感測。 請參考第7圖，顯示二氧化鈦ISFET利用本發明之量測步驟所 得到的感測度與溫度的關係圖。由圖中可知感測度係隨溫度而增 加，其5°C至55°C之斜率即溫度係數為0.223 mV/pH°C。 表1係本發明之二氧化鈦ISFET於5°C至55°C的感測度，感測 度範圍介於51.81至63.01 mV/pH之間，而於25°C下，可達 56. 21mV/pH之良好感測度。 表1 二氧化鈦ISFET 於不同溫度之pH感測度 溫度 (°C) 5 15 25 35 45 55 感測度 (mV/pH) 51.81 54.01 56.21 58.41 60.71 63.01 請參考第8圖，顯示二氧化鈦ISFET利用本發明之量測步驟所 得到介於pH 1至pH 13的時漂值。圖中可得知其時漂現象於鹼性 中溶液中較明顯，即pH值越大，則時漂值越大。 16 1241020

^ ^_ 」·υΐ 表2係主本，明之二氧化鈦ISFET於pH 1至pH 13的時漂值。 a “ 薄膜之時漂值與pH值@關係 Η、回1參弟9圖’顯示二氧化鈦mT利用本發明之量測步驟於 :二、P I7—11-7遲滞量與迴路時間的關得、曲線。由“了」 知Ik者迴路打間之增加，遲滯量 囷中可侍 3所示。 曰日加。圖中之遲滞量如表

表滯量 迴路時間 17 ‘124,1020 U 10圖’顯示二氧化鈦ISFET利用本 pH迴路pH孓^5的遲滯量。 之里測步驟於 由上述本發明較佳#施例可知，應用本發明具有下 =本發明提出以真空賴法傷製二氧化鈦作為離子感列膜 於此製程條件下之感測度佳，並符合半導體之 此^羽’ 技術中並無人曾以本發明之方法製作離子感測場效; 鈦閘極感測膜。 迅日日體一虱化 2.本發明所提出之測量方法及裝 化銳ISFET溫度特性參數、時漂值及遲滞量之優^地獲得二氧 ^利財發明之量财法及Μ，除了可測量本發明 一虱化鈦ISFET外，亦可用於其他種類 、 參數、時漂值及遲滞寬度之測量。、離子感·效電晶體溫度 明。=2=3佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發 〜= 在不脫離本發明之精神和範圍内，當可作 圍所界定ΐ為Γ。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範

18 1241020 【圖式簡單說明】 較佳實施狀料感測膜 〇 較佳實施例之電流—電壓量測系統 第1圖顯示依據本發明— 之離子感測場效電晶體戴面圖 第2圖顯示依據本發明一 之架構圖。 第3圖顯不依據本發明_較佳實施例之怪壓怪流 架構圖。 量測系統 之 :4圖顯讀據本發日月_較佳實施例之怪隸流量測電路圖。 弟5圖顯不依據本發明_較佳實施例之具有二氧化鈦感測膜 的離子感測場效電晶體於坑下操作時，没/源極電流—閘極電壓 曲線。 第6圖顯示依據本發明-較佳實施例之具有二氧化鈦感測膜 、子感則琢放屯晶體於25。〇下操作時，問極電壓與值關係圖。 第7圖顯不依據本發明—較佳實施例之具有二氧化鈦感測膜 的離子感測場效電晶體感測度與溫度之關係圖。 第8圖_依據本發明_較佳實施例之具有二氧化鈦感測膜 、離^感測％效電晶體介於pH i至邱ι3所測得的時漂值。 第9圖顯tf依據本發明—較佳實施例之具有二氧化鈦感測膜 _子_%效電晶體於PH迴路pH 7-3-7-11-7的遲滯量與不同 迴路時間的曲線。 第、圖》、、員不依據本發明一較佳實施例之具有二氧化鈦感測膜 "子感、]昜效電晶體於pH迴路饨5-卜5_9_5的遲滯量。 19 1241020 圖式符號說明 11，209，304 :參考電極， 12，210，302 :緩衝溶液， 13 :密封層， 14 :二氧化鈦， 15，206，207，208，311，312，313 :導線， 16 :閘極氧化層，

17 :没極與源極區， 18 :半導體基底， 19 :金屬銘， 201 : Keithley 236電流一電壓量測單元， 202 :測試固定器， 203 :溫度計，

204，301 ··具有二氧化鈦感測膜之離子感測場效電晶體， 205，306 : PID 溫控器， 211，308 :暗箱， 212，305 :加熱器， 303 :恆壓恆流讀出電路， 307 :熱電耦， 309 :電流/電壓量測裝置 310 :電壓一時間記錄器。 20

Claims (1)

1241020 拾、申請專利範圍： 1. 一種二氧化鈦感測瞑之製法，包括下列步驟： (al)在流量為10幻〇〇 之2 ··丄至5 :】比例之氯氣盘 氧氣之混合氣體存在下，於壓力為G. G15至〇· 045托耳下，以射 頻功率145 S 160瓦特（W)，將二氧化鈦㈣滅鑛，以形成一二氧 化鈦層於該離子感測場效電晶體之閘極區域上，及 (a2)在450至550°C之退火溫度下及氧氣之存在下對該二氧 化鈦層予以退火處理。 2·如申請專利範圍第1項所述之二氧化鈦感測膜之製法，其 中该氬氣與氧氣之比例為8: 2〇。 3·如申請專利範圍第1項所述之二氧化鈦感測膜之製法，其 中該流量為100 SCCM。 4. 如申請專利範圍第1項所述之二氧化鈦感測膜之製法，其 中該壓力為0· 03托耳。 5. 如申請專利範圍第1項所述之二氧化鈦感測膜之製法，其 中該退火溫度為500。(：。 6·如申請專利範圍第1項所述之二氧化鈦感測膜之製法，其 中該射頻功率為150W。 7· —種具有二氧化鈦感測膜之離子感測場效電晶體’包括下 列元件： 一半導體基底； 閘極氧化層，位於該半導體基底上， 一二氧化鈦薄膜，係由如申請專利範圍第1項所述之製備離 子感測場效電晶體之二氧化欽感測膜的方法所研製，位於該閘極 氧化層上，形成二氧化鈦間極； 一對源極/汲極區，位於节二氧化鈦閘極兩側之該半導體基底 中； 21 1241020 二導線，分別位於該對源極/汲極區上；以及 一密封層，覆蓋該金屬導線，並露出該二氧化鈦薄膜。 8·如申請專利範圍第7項所述之具有二氧化鈦感測膜之離子 感測場效電晶體，其中該電晶體之通道長度為50微米，通道寬度 為1000微米，寬長比率為20。 9. 如申請專利範圍第7項所述之具有二氧化鈦感測膜之離子 感測場效電晶體’其中該半導體基底之電性為ρ型。 10. 如申請專利範圍第7項所述之具有二氧化鈦感測膜之離子 感測場效電晶體’其中該半導體基底之電阻係數為8至12 Ω · cm。 11. 如申請專利範圍第7項所述之具有二氧化鈦感測膜之離子 感測場效電晶體’其中該半導體基底之晶向為（1，0，0)。 12. 如申請專利範圍第7項所述之具有二氧化鈦感測膜之離子 感測場效電晶體，其中該閘極氧化層之厚度為1000埃（人）。 13. 如申請專利範圍第7項所述之具有二氧化鈦感測膜之離子 感測場效電晶體，其中該金屬導線之材質為金屬鋁。 14. 如申請專利範圍第7項所述之具有二氧化鈦感測膜之離子 感測場效電晶體，其中該密封層之材質為環氧樹脂。 15. 如申請專利範圍第7項所述之具有二氧化鈦感測膜之離子 感測場效電晶體’其中該源極/沒極區之電性為η型。 16. —種具有二氧化鈦感測膜之ISFET的溫度參數的量測方 法，包括下列步驟： (bl)使該具有二氧化鈦感測膜之ISFET的二氧化鈦感測膜與 一緩衝溶液接觸及達溫度平衡； (b2)於一固定溫度下，改變該緩衝溶液之pH值，並以一電 流/電壓量測裝置測量並記錄該具有二氧化鈦感測膜之ISFET的源 /汲極電流對閘極電壓的曲線； (b3)利用該源/汲極電流對閘極電壓之曲線，取一固定電流 22 1241020 以求出於該固定溫度下ISFET元件之感測度；以及 (b4)改變該緩衝溶浪之温度，重複步驟（bl)至步驟（b3)， 以求出於各溫度下之感測度。 17.如申請專利範圍第16項所述之具有二氧化鈦感測膜之 ISFET的溫度參數的量測方法，其中，該感測度係為於固定溫度 下，每增加單位pH值所造成之閘極電壓增量。 18·如申請專利範圍第17項所述之具有二氧化鈦感測膜之 ISFET的溫度參數的量測方法’其中’該溫度之控制係由一溫度控 制器控制一加熱器以完成。 19. 如申請專利範圍第18項所述之具有二氧化鈦感測膜之 ISFET的溫度參數的量測方法，其中，該溫度範圍介於5。〇至55 °C之間。 20. 如申請專利範圍第19項所述之具有二氧化鈦感測膜之 ISFET的溫度參數的量測方法，其中，該緩衝溶液之邱值範圍為 1 至 13。 21. —種具有二氧化鈦感測膜之isFET的溫度參數的量測裝 置，包括： 一如申請專利範圍第7項所述之具有二氧化鈦感測膜之離子 感測場效電晶體； —緩衝溶液，用以與該具有二氧化鈦感測膜之離子感測場效 電晶體的二氧化鈦感測膜接觸； 一光隔絕容器，用以隔絕光線； 一加熱為，用以對該緩衝溶液進行加熱； 一溫度控制器，連接於該加熱器； 測忒裝置（test fixture)，連接於該離子感測場效雷曰 之源極與没極；以及 一電流一電壓量測裝置，連接於該測試裝置。 23 1241020 22. 如申請專利範圍第21項所述之具有二氧化鈦感測膜之 ISFET的溫度參數的量測裝置，其中，更包括一參考電極，其一端 與該缓衝溶液接觸，另一端則與該測試裝置相連。 23. 如申請專利範圍第21項所述之具有二氧化鈦感測膜之 ISFET的溫度參數的量測裝置，其中，該溫度控制器係為PID溫度 控制器。 24. —種具有二氧化鈦感測膜之ISFET的遲滞量的量測方法， 包括下列步驟： (cl)利用一恆壓恆流讀出電路固定該具有二氧化鈦感測膜之 ISFET的汲/源電流與汲/源電壓； (c2)使得該二氧化鈦感測膜與一緩衝溶液接觸； (c3)以一電壓一時間記錄器記錄該具有二氧化鈦感測膜之 ISFET的閘/源極輸出電壓；以及 (c4)改變該緩衝溶液之pH值，分別重複步驟（c2)〜（c3)，以 量測該具有二氧化鈦感測膜之ISFET的遲滞量。 25.如申請專利範圍第24項所述之具有二氧化鈦感測膜之 ISFET的遲滯量的量測方法，其中，該遲滯量係為同一 pH值下， 最初與最末量測點之閘/源極輸出電壓的變化量。 26. 如申請專利範圍第24項所述之具有二氧化鈦感測膜之 ISFET的遲滯量的量測方法，其中，該汲/源電流係固定於50微安 培（//A)，且該汲/源電壓係固定於0.2伏特（V)。 27. 如申請專利範圍第24項所述之具有二氧化鈦感測膜之 ISFET的遲滯量的量測方法，其中，在步驟（a2)之前更包括將該具 有二氧化鈦感測膜之ISFET置放於一基準溶液中以保持穩定。 28. 如申請專利範圍第24項所述之具有二氧化鈦感測膜之 ISFET的遲滯量的量測方法，其中，該緩衝溶液之pH值改變順序 係為 ρΗ7—ρΗ3—ρΗ7—ρΗ11-ρΗ7。 24 1241020 29. 如申請專利範圍第24項所述之具有二氧化鈦感測膜之 ISFET的遲滯量的量測方法，其中，該緩衝溶液之各pH值係持續 固定1分鐘。 30. —種具有二氧化鈦感測膜之ISFET的時漂量的量測方法， 包括下列步驟： (dl)使該具有二氧化鈦感測膜之ISFET的二氧化鈦感測膜與 一緩衝溶液接觸； (d2)以恆壓恆流讀出電路測量該具有二氧化鈦感測膜之 ISFET的閘/源極輸出電壓，並以一電壓一時間記錄器記錄； (d3)在隔一段時間，以該電壓一時間記錄器記錄該具有二氧 化鈦感測膜之ISFET的閘/源極輸出電壓， (d4)計算單位時間内閘/源極輸出電壓之改變量，藉以獲得 該具有二氧化鈦感測膜之ISFET的時漂量。 31. 如申請專利範圍第30項所述之具有二氧化鈦感測膜之 ISFET的時漂量的量測方法，其中，更包括改變該緩衝溶液之pH 值，以求出於各pH值下之具有二氧化鈦感測膜的ISFET的時漂量。 32. 如申請專利範圍第30項所述之具有二氧化鈦感測膜的 ISFET的時漂量的量測方法，其中，該汲/源電流係固定於50//A， 且該汲/源電壓係固定於0. 2V。 33. 如申請專利範圍第30項所述之具有二氧化鈦感測膜之 ISFET的時漂量的量測方法，其中，在該步驟（dl)中，使該具有二 氧化鈦感測膜之ISFET的二氧化鈦感測膜與該緩衝溶液接觸的時 間為12小時以保持穩定。 34. 如申請專利範圍第30項所述之具有二氧化鈦感測膜的 ISFET的時漂量的量測方法，其中，該步驟（d3)之該一段時間為5 小時。 35. 如申請專利範圍第30項所述之具有二氧化鈦感測膜的 25 1241020 ISFET的時漂量的量測方法，其中該緩衝溶液之pH值介於i至u 之間。 36· —種具有二氧化鈦感測膜之ISFET之遲滯與時漂量的量测 裝置，包括： •如申請專利範圍第7項所述之具有 感測場效電晶體； 一緩衝溶液，用以與該具有；氧化鈦感測膜之離子感測場效 電晶體的二氧化鈦感測膜接觸； 一光隔絕容器，用以隔絕光線姐承載所需之設備； 一加熱器，用以對該緩衝溶液進行加熱； 一溫度控制器，連接於該加熱器； 一恆壓恆流讀出電路，連接於該ISFET之該源極與該汲極； 一電流/電壓量測裝置，連接於該恆壓恆流讀出電路；以及 一電壓一時間記錄器，連接於該恆壓恆流讀出電路。 37·如申凊專利範圍第36項所述之具有二氧化鈦感測膜之 刪T之遲滞與時漂量的量測裝置，其中，更包括—參考電極，其 中-端與該緩衝溶液接觸，另—端則與該恆壓&流讀出電路相連。 38·如申响專利视圍第36項所述之具有二氧化鈦感測膜之 _之遲滞與時漂量的量測裝置，其中，更包括—溫、，並一 &與該緩衝溶液接觸，另—端則與該溫度控制器相連。- 39_如申明專利範圍帛38項所述之具 ISFET之遲滞與時漂量的量 我灰關膑之 衝溶液之溫度控制於25t。中·度控制器係將該緩 卿^=，__第36項所述之具有二氧化鈦感測膜之 之、、與時漂量的量測裝置’其中，該恆壓恆流讀出電路俜 為一負回授電路。 土 I抓。貝出電路係 41·如申請專利範圍第36項所述之具有二氧化鈦感測膜之 26 1241020 ISFET之遲滯與時漂量的量測裝置，其中，該電流/電壓量測裝置 係為一數位式三闬電表。

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